JP4635753B2 - ステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、各車輪と各転舵機構との間に、各車輪の切れ角に関数関係を与える非円形歯車列を介装したステアリング装置の技術分野に属する。

従来のステアリング装置では、ハンドルと各車輪との間に非円形歯車列をそれぞれ介在させ、各車輪の操舵角に、各車輪が共通の１点を中心として旋回させるような所定の関数関係を与えることで、小回り性能を向上させている（例えば、特許文献１参照）。
特開第３２３７８７２号

しかしながら、上記従来の非円形歯車列を用いたステアリング装置にあっては、旋回中心を任意の１点に設定するため、前後輪に転舵機構を備えた車両に適用した場合、前輪操舵（２輪操舵）となる通常操舵モードと、前後輪操舵（４輪操舵）となる小回り操舵モードとで旋回中心が変化する。よって、どちらか一方の操舵モードでは走行をスムーズに行うことができないという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、２輪操舵と４輪操舵のそれぞれに対して旋回中心の設定が可能であり、操舵モードにかかわらずスムーズな走行を実現できるステアリング装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、
ハンドルの回転に応じて前後輪を転舵する前輪転舵機構および後輪転舵機構を備え、各車輪と各転舵機構との間に、各車輪の切れ角に関数関係を与える非円形歯車列としての車輪操向歯車を介装したステアリング装置において、
前記前輪転舵機構および後輪転舵機構は、
車幅方向に配置され、車幅方向に配し軸心回りに回転可能なステアリングシャフトと、
前記ハンドルの回転に応じて前記ステアリングシャフトを回転させるステアリングシャフト駆動手段と、
前記ステアリングシャフトの回転を前記車輪操向歯車に伝達する第２交差軸歯車と、
この第２交差軸歯車の入力軸と前記ステアリングシャフトの端部とを連結する等速ジョイントと、
を備え、
内輪切れ角をα、外輪切れ角をβ、前後輪の車軸間距離をＬ、左右キングピン間距離をＷとしたとき、
前記車輪操向歯車の外輪駆動側ピッチ曲線を、入力側と出力側の歯車の比が一定となる円弧とし、
前記車輪操向歯車の内輪駆動側ピッチ曲線を、前記外輪駆動側ピッチ曲線で決まる外輪切れ角βに対し、内輪切れ角αが所定切れ角α₀未満のとき、下記の式(1)
Ｗ／Ｌ＝cotβ−cotα …(1)
に示すアッカーマン・ジャントの式を満たし、
前記内輪切れ角αが所定切れ角α₀以上のとき、下記の式(2)
２Ｗ／Ｌ＝cotβ−cotα …(2)
を満たすように設定したことを特徴とする。

本発明にあっては、内輪切れ角が小さい場合には、内輪切れ角αと外輪切れ角βとの関係は、式(1)に示すアッカーマン・ジャントの式を満たし、旋回中心は後輪車軸の延長線上に設定される。内輪切れ角が大きい場合には、内輪切れ角αと外輪切れ角との関係が、式(2)を満たし、旋回中心は前輪車軸と後輪車軸との中間位置に近づく。

すなわち、内輪切れ角の小さい２輪操舵と内輪切れ角の大きい４輪操舵に対してそれぞれ旋回中心を設定できるため、いずれの操舵モードにおいてもスムーズな走行を実現でき、旋回性能を向上させることができる。また、２輪操舵と４輪操舵で共に横滑り角の発生が抑制され、特に前輪タイヤの偏摩耗を抑制できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１のステアリング装置の全体構成図である。
実施例１のステアリング装置は、前輪転舵機構Ａと、後輪転舵機構Ｂと、コントロールユニット(転舵モータ出力制御手段)21と、アクチュエータドライバ22と、を備えている。

前輪転舵機構Ａにおいて、ハンドル１の回転は、コラムシャフト２から第１交差軸歯車（ステアリングシャフト駆動手段）３により車幅方向に配したステアリングシャフト4fの回転に変換され、左右の等速ジョイント5fR,5fLを介して第２交差軸歯車6fR,6fLに伝達される。第２交差軸歯車6fR,6fLに入力された回転は、上下方向の回転に変換され、車輪操向歯車7fR,7fLに伝達される。車輪操向歯車7fR,7fLは、第２交差軸歯車6fR,6fLと車輪のナックル回転軸とを連結する非円形歯車列であり、この車輪操向歯車7fR,7fLが駆動されることにより、車輪8fR,8fLが転舵される。

コラムシャフト２には、操舵角、操舵速度を検出する操舵角センサ（操舵状態検出手段）2fと、ハンドル１の回転トルクを増幅して運転者の操舵力を補助する操舵力アシストモータ9fが設けられている。

後輪転舵機構Ｂの構成は、前輪転舵機構Ａの構成と同様であるが、第１交差軸歯車３に代えて、転舵モータ（ステアリングシャフト駆動手段）9rを設けた点で前輪転舵機構Ａと異なる。他の構成は同一であるため、符号の添え字を前輪側がf、後輪側がrとして区別し、説明を省略する。転舵モータ9rには、転舵モータ9rの回転角を検出するモータ角度センサ2rが付設されている。

コントロールユニット21は、操舵角センサ2fとモータ角度センサ2rの検出値と、車速等の走行状態に応じて、後輪の最適な転舵量と前輪転舵アシスト量をそれぞれ演算する。アクチュエータドライバ22は、コントロールユニット22により演算された後輪転舵量と前輪転舵アシスト量に基づいて、転舵モータ9rと操舵力アシストモータ9fに駆動電流を供給する。

コントロールユニット21は、低車速域での走行時、ハンドル１の操舵角が小さい場合には、前輪のみを転舵する通常走行（２輪操舵）モードで走行し、ハンドル１の操舵角が大きい場合には、後輪を前輪と逆位相に転舵する小回り操舵モードで走行する。また、高車速域での走行時には、後輪を前輪と同位相に転舵する同位相操舵モードで走行する。

次に、作用を説明する。
［車輪操向歯車のピッチ特性］
図２は、実施例１の車輪操向歯車7fR,7fLのピッチ曲線を示したものである。図２において、7iは第２交差軸歯車6fR,6fLと一体に回転する入力側歯車、7oは車輪のナックル回転軸と一体に回転する出力側歯車を示す。

図２に示すように、中立点から外輪駆動側では、両歯車7i,7oの比が一定の円弧であるが、内輪駆動側では、外輪駆動側ピッチ曲線で決まる外輪切れ角βに対して、内輪切れ角αが所定切れ角α_o未満では、下記のアッカーマン・ジャントの式(1)を満たし、
Ｗ／Ｌ＝cotβ−cotα …(1)
内輪切れ角αが所定切れ角α₀以上では、下記の式(2)
２Ｗ／Ｌ＝cotβ−cotα …(2)
を満たすピッチ曲線となるように設定されている。
ここで、Ｌは前後輪の車軸間距離を、Ｗは左右キングピン間距離を表す。図中、r_ii,r_oiは、内輪駆動側の入出力ギヤのピッチ径を表し、r_io,r_ooは、外輪駆動側のピッチ径を表し、これらの和(r_oi+r_ii,r_oo+r_io)は車輪操向歯車7fR,7fLの軸間距離ａに等しい。

なお、後輪側の車輪操向歯車7rR,7rLの特性は、車輪操向歯車7fR,7fLと同様に設定されているため、説明を省略する。

［２輪操舵モード］
図３は、アッカーマン・ジャントの式（式(1)）を満たす操舵機構の原理図であり、車輪中心とキングピン軸との距離をゼロとして描いている。図３において、OE/CE＝cotα、OF/DF＝cotβであり、よって式(1)が成立する。
実施例１では、通常走行時の２輪操舵モードでは、内外輪の切れ角α，βは式(1)の関係を満たし、旋回中心は後輪車軸の延長線上に位置する。図４は、この条件での内外輪の切れ角α，βの関係を示す。アッカーマン・ジャントの理論曲線では、切れ角が大きくなるほど内輪側の切れ角のほうがより大きくなっていく。

［内輪切れ角に応じた旋回中心設定作用］
図５は、実施例１のステアリング装置における内外輪の切れ角の関係を示す。図５において、OE/CE=cotα、OF/DF=cotβであり、よって式(2)が成立する。
実施例１では、内輪切れ角αが所定切れ角α₀以上の領域では、式(2)を満たすように車輪操向歯車7fR,7fLのピッチ曲線を設定したため、小回り操舵モードでは、図４に示した２輪操舵モードでの条件よりも内輪切れ角αが大きくなる。

図６は、小回り操舵モードの操舵状態を示したものである。内輪切れ角αが所定切れ角α₀以上になったとき、後輪転舵機構Ｂを作動させ、前輪と同じ角度で逆位相になるように操舵することにより、図６に示すような小回り操舵モードを得ることができる。

このとき、内外輪の切れ角α，βは、式(2)の関係を満足するため、旋回中心は前輪車軸と後輪車軸の中間線上に位置し、最小の回転半径を得ることができる。なお、所定切れ角α₀は、車両の特性に応じて設定すればよい。

図７は、高速走行時の前後輪同位相操舵モードを示す図である。高速走行時、後輪を前輪と同位相で転舵することにより、走行安定性を向上させることができる。高速走行時にはハンドル１の操舵角は小さいので、図４あるいは図５に示したように、内外輪の切れ角はほぼ同等である。

次に、効果を説明する。
実施例１のステアリング装置にあっては、以下に列挙する効果が得られる。
(1) ハンドル１の回転に応じて前後輪を転舵する前輪転舵機構Ａおよび後輪転舵機構Ｂを備え、各車輪と各転舵機構との間に、各車輪の切れ角に関数関係を与える非円形歯車列(7fR,7fL),(7rR,7rL)を介装したステアリング装置において、内輪切れ角をα、外輪切れ角をβ、前後輪の車軸間距離をＬ、左右キングピン間距離をＷとしたとき、車輪操向歯車(7fR,7fL),(7rR,7rL)の外輪駆動側ピッチ曲線を、比が一定となる円弧とし、車輪操向歯車(7fR,7fL),(7rR,7rL)の内輪駆動側ピッチ曲線を、外輪駆動側ピッチ曲線で決まる外輪切れ角βに対し、内輪切れ角αが所定切れ角α₀未満のとき、アッカーマン・ジャントの式（式(1)）を満たし、内輪切れ角αが所定切れ角α₀以上のとき、式(2)を満たすように設定した。よって、いずれの操舵モードにおいてもスムーズな走行を実現でき、旋回性能を向上させることができる。

(2) 車輪操向歯車(7fR,7fL),(7rR,7rL)の内輪駆動側ピッチ曲線を、内輪切れ角αが所定切れ角α₀以上のとき、式(2)を満たすように設定したため、旋回中心を前輪車軸と後輪車軸との中間線上に配置でき、最小の回転半径を得ることができる。

(3) 前輪転舵機構Ａおよび後輪転舵機構Ｂは、車幅方向に配置され、車幅方向に配し軸心回りに回転可能なステアリングシャフト4f,4rと、ハンドル１の回転に応じてステアリングシャフト4f,4rを回転させるステアリングシャフト駆動手段（第１公差歯車３、転舵モータ9r）と、ステアリングシャフト4f,4rの回転を車輪操向歯車(7fR,7fL),(7rR,7rL)に伝達する第２交差軸歯車(6fR,6fL),(6rR,6rL)と、この第２交差軸歯車(6fR,6fL),(6rR,6rL)の入力軸とステアリングシャフト4f,4rの端部とを連結する等速ジョイント(5fR,5fL),(5rR,5rL)と、を備える。よって、ハンドル１の回転に応じて最適な前輪切れ角と後輪切れ角を得ることができる。

(4) 前輪転舵機構Ａは、ステアリングシャフト駆動手段として、ハンドル１と連結されたコラムシャフト２の回転をステアリングシャフト4fに伝達する第１交差軸歯車３を備える。よって、ハンドル１と前輪との機械的な連結により、システム異常時にも運転者が直接前輪を操舵することができる。

(5) 前輪転舵機構Ａは、ハンドル１と連結されたコラムシャフト２に操舵力アシストモータ9fを備えるため、パワーステアリング機能により運転者の操舵負担を軽減できる。

(6) 後輪転舵機構Ｂは、ステアリングシャフト駆動手段として、ステアリングシャフト4rに連結された転舵モータ9rを備え、ハンドル１の操舵角度と操舵速度を検出する操舵角センサ2fと、検出された操舵角度および転舵速度と車速とに基づいて、後輪の最適な操舵量を算出し、転舵モータ9rの出力を制御するコントロールユニット21と、を設けた。よって、車両の走行状態に合わせた適切な操舵が可能となり、操縦安定性、小回り性能を大幅に向上させることができる。

実施例２は、車輪操向歯車の外輪駆動側ピッチ曲線を、ハンドルの操舵角が大きくなるほど、ハンドルの操舵角に対する切れ角がより大きくなるように設定した例である。

図８は、実施例２の車輪操向歯車7fR,7fLのピッチ曲線を示したものである。実施例２では、ハンドル１の操舵角が大きくなるほどギヤ比が小さくなり、内外輪の切れ角がより大きくなるように設定されている。なお、内外輪の切れ角の関係は、実施例１と同様の関係が得られるようなピッチ曲線に設定されている。

図９は、実施例２のハンドル１の回転角と外輪切れ角βとの関係を示したものである。ハンドル１の操舵角が大きくなるほど通常のステアリングよりも外輪切れ角βが大きくなっており、このような構成とすることで、据え切りや車庫入れ時のハンドル１の取り回し性が向上する。また、高車速域ではハンドル１の操舵角は小さいため、ギヤ比は小さくならず、操縦安定性が悪化することはない。

次に、効果を説明する。
実施例２のステアリング装置にあっては、実施例１の効果(1)〜(6)に加え、以下の効果が得られる。

(7) 外輪駆動側ピッチ曲線を、ハンドル１の操舵角が大きくなるほど、ハンドル１の操舵角に対する切れ角がより大きくなるように設定したため、据え切りや車庫入れ時のハンドル１の取り回し性を向上させることができる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施例１，２に限定されるものではなく、例えば、内輪切れ角が所定切れ角以上の車輪操向歯車のピッチ曲線は、必ずしも式(2)と一致させる必要はなく、式(2)に近づくように設定すればよい。

また、実施例１，２では、ハンドルと前輪のステアリングシャフトが第１交差軸歯車で機械的に連結された例を示したが、後輪と同様に転舵モータを設け、ステア・バイ・ワイヤシステムとしてもよい。

図１は、実施例１のステアリング装置の全体構成図である。 実施例１の車輪操向歯車7fR,7fLのピッチ曲線を示す模式図である。 アッカーマン・ジャントの式を満たす操舵機構の原理図である。 アッカーマン・ジャントの式を満たすステアリング機構の内外輪切れ角の関係を示す図である。 実施例１のステアリング装置における内外輪の切れ角の関係を示す図である。 実施例１のステアリング機構による小回り操舵モードの操舵状態図 高速走行時の前後輪同位相操舵モードを示す図である。 実施例２の車輪操向歯車7fR,7fLのピッチ曲線を示す模式図である。 実施例２のハンドル回転角と外輪切れ角との関係を示す図である。

符号の説明

Ａ 前輪転舵機構
Ｂ 後輪転舵機構
１ ハンドル
２ コラムシャフト
2f 操舵角センサ
2r モータ角度センサ
3 第１交差軸歯車
4f,4r ステアリングシャフト
5fR,5rR 右等速ジョイント
5fL,5rL 左等速ジョイント
6fR,6rR 右第２交差軸歯車
6fL,6rL 左第２交差軸歯車
7fR,7rR 右車輪操向歯車
7fL,7rL 左車輪操向歯車
8fR,8rR 右車輪
8fL,8rL 左車輪
9f 操舵力アシストモータ
9r 転舵モータ
21 コントロールユニット
22 モータドライバ

Claims (5)

1. ハンドルの回転に応じて前後輪を転舵する前輪転舵機構および後輪転舵機構を備え、各車輪と各転舵機構との間に、各車輪の切れ角に関数関係を与える非円形歯車列としての車輪操向歯車を介装したステアリング装置において、
   前記前輪転舵機構および後輪転舵機構は、
   車幅方向に配置され、車幅方向に配し軸心回りに回転可能なステアリングシャフトと、
   前記ハンドルの回転に応じて前記ステアリングシャフトを回転させるステアリングシャフト駆動手段と、
   前記ステアリングシャフトの回転を前記車輪操向歯車に伝達する第２交差軸歯車と、
   この第２交差軸歯車の入力軸と前記ステアリングシャフトの端部とを連結する等速ジョイントと、
   を備え、
   内輪切れ角をα、外輪切れ角をβ、前後輪の車軸間距離をＬ、左右キングピン間距離をＷとしたとき、
   前記車輪操向歯車の外輪駆動側ピッチ曲線を、入力側と出力側の歯車の比が一定となる円弧とし、
   前記車輪操向歯車の内輪駆動側ピッチ曲線を、前記外輪駆動側ピッチ曲線で決まる外輪切れ角βに対し、内輪切れ角αが所定切れ角α₀未満のとき、下記の式(1)
   Ｗ／Ｌ＝cotβ−cotα …(1)
   に示すアッカーマン・ジャントの式を満たし、
   前記内輪切れ角αが所定切れ角α₀以上のとき、下記の式(2)
   ２Ｗ／Ｌ＝cotβ−cotα …(2)
   を満たすように設定したことを特徴とするステアリング機構。
2. ハンドルの回転に応じて前後輪を転舵する前輪転舵機構および後輪転舵機構を備え、各車輪と各転舵機構との間に、各車輪の切れ角に関数関係を与える非円形歯車列としての車輪操向歯車を介装したステアリング装置において、
   前記前輪転舵機構および後輪転舵機構は、
   車幅方向に配置され、車幅方向に配し軸心回りに回転可能なステアリングシャフトと、
   前記ハンドルの回転に応じて前記ステアリングシャフトを回転させるステアリングシャフト駆動手段と、
   前記ステアリングシャフトの回転を前記車輪操向歯車に伝達する第２交差軸歯車と、
   この第２交差軸歯車の入力軸と前記ステアリングシャフトの端部とを連結する等速ジョイントと、
   を備え、
   内輪切れ角をα、外輪切れ角をβ、前後輪の車軸間距離をＬ、左右キングピン間距離をＷとしたとき、
   前記車輪操向歯車の外輪駆動側ピッチ曲線を、前記ハンドルの操舵角が大きくなるほど、ハンドルの操舵角に対する切れ角がより大きくなるように設定し、
   前記車輪操向歯車の内輪駆動側ピッチ曲線を、前記外輪駆動側ピッチ曲線で決まる外輪切れ角βに対し、内輪切れ角αが所定切れ角α ₀ 未満のとき、下記の式(1)
   Ｗ／Ｌ＝cotβ−cotα …(1)
   に示すアッカーマン・ジャントの式を満たし、
   前記内輪切れ角αが所定切れ角α ₀ 以上のとき、下記の式(2)
   ２Ｗ／Ｌ＝cotβ−cotα …(2)
   を満たすように設定したことを特徴とするステアリング機構。
3. 請求項１または請求項２に記載のステアリング装置において、
   前記前輪転舵機構は、前記ステアリングシャフト駆動手段として、前記ハンドルと連結されたコラムシャフトの回転を前記ステアリングシャフトに伝達する第１交差軸歯車を備えることを特徴とするステアリング装置。
4. 請求項３に記載のステアリング装置において、
   前記前輪転舵機構は、前記ハンドルと連結されたコラムシャフトまたは前記ステアリングシャフトに操舵力アシストモータを備えることを特徴とするステアリング装置。
5. 請求項３ないし請求項４のいずれか１項に記載のステアリング装置において、
   前記後輪転舵機構は、前記ステアリングシャフト駆動手段として、前記ステアリングシャフトに連結された転舵モータを備え、
   前記ハンドルの操舵角度と操舵速度を検出する操舵状態検出手段と、
   検出された操舵角度および転舵速度と車速とに基づいて、後輪の最適な操舵量を算出し、前記転舵モータの出力を制御する転舵モータ出力制御手段と、
   を設けたことを特徴とするステアリング装置。

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